Die Funktionsweise eines Kernkraftwerks

Die Funktionsweise eines Kernkraftwerks
1.) Der Kernbrennstoff
In den heute üblichen Kraftwerken wird das Uranisotop
235
U eingesetzt. Dieses wird durch
langsame Neutronen sehr leicht zum Zerfall angeregt, ist also in der Lage, die Bedingungen
für eine Kettenreaktion zu erfüllen. Im natürlichen Uran ist dieses Isotop aber nur zu 0,7%
enthalten. In Verbindung mit normalem Wasser als Moderator ist dieser Anteil zu gering.
Durch Verfahren, die den Gewichtsunterschied zwischen dem Hauptisotop
238
U und
235
U
ausnutzen (hauptsächlich Diffusions- und Zentrifugenverfahren), wird die Konzentration von
235
U auf 3 - 5 % angereichert. Bei Verwendung von gasförmigen UF als Trägermaterial
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beträgt die Massendifferenz 0,85%.
2.) Der Moderator
Die Kettenreaktion kann in einem AKW nur durch langsame Neutronen aufrechterhalten
werden. Um die beim Zerfall freigesetzten schnellen Neutronen abzubremsen benötigt man
ein Bremsmittel, den Moderator. Dazu sind im Wesentlichen Wasser und Graphit geeignet.
Beim Einsatz von Graphit muss die entstehende Wärme durch einen Kühlkreislauf abgeführt
werden. Darüber hinaus erfolgt die Kontrolle über den Reaktor durch geeignete
Regelmechanismen. Bei steigender Temperatur kann es zu kritischen Betriebszuständen
kommen, da dann der Graphit immer wirkungsvoller abbremst und der Schneeballeffekt
einsetzt (z.B. Tschernobyl). In einem wassermoderiertem AKW ist das Wasser Moderator
und Kühlmittel gleichzeitig. Bei höheren Temperaturen sinkt die Anzahl der langsamen
Neutronen, die Kettenreaktion kommt zum Erliegen. In beiden Kraftwerken muss nach dem
Abschalten noch weiter gekühlt werden, da radioaktive Zerfallsprodukte weiterhin viel
Wärme abgeben.
3.) Energieumsatz
Durch die Spaltung wird eine gewaltige Menge Wärme freigesetzt. Sie hat ihren Ursprung in
der Kernbindungsenergie und wird nach der berühmten Formel von Albert Einstein (E = m c )
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umgewandelt. Beim Zerfall von 1 kg Uran wird genauso viel Wärme freigesetzt wie beim
Verbrennen von:
-
2.500.000 I Heizöl
-
3000 t Steinkohle
-
7000 t Holz
4.) Abfallproblematik
Alle drei Jahre müssen die Brennelemente in einem AKW gewechselt werden, da die
Konzentration an spaltfähigem Uran zu weit abgesunken ist. Durch den Betrieb haben sich
viele
verschiedene
bombenfähiges
stark
radioaktive
Plutonium.
In
Elemente
gebildet,
u.a.
Wiederaufarbeitungsanlagen
auch
wird
giftiges
das
und
noch
verwendungsfähige Uran herausgelöst und weiter verwendet. Das übrige Material muss für
sehr lange Zeit gelagert werden. Dabei sollte sichergestellt sein, dass es keinen Kontakt zur
Umgebung bekommt.
5.) Neuere Entwicklungen
Da der Anteil des
235
U so gering ist, wurden ab den 1960er Jahren alternative
Reaktorkonzepte entwickelt. Am bekanntesten sind der Hochtemperaturreaktor (HRT) und
der schnelle Brüter. In einem HRT werden tennisballgroße Kugeln aus Uran und Thorium
ummantelt mit Graphit eingesetzt. Neben günstigen Sicherheitsaspekten hat der Reaktor
den Vorteil, dass spaltbares Material durch Neutroneneinfang immer wieder generiert wird.
Ein Brutreaktor besteht aus einer inneren Spalt- und äußeren Brutzone. Im Inneren wird die
Kernspaltung durchgeführt und die freiwerdenden Neutronen werden auch hier zum
Erbrüten von neuem Spaltmaterial benutzt. Bei Verwendung von
238
U entsteht vor allem
Plutonium. Weitere Neuerungen befassen sich mit verbesserter Steuerung und optimierten
Sicherheitssystemen.